А что, если?.. Научные ответы на абсурдные гипотетические вопросы Манро Рэндалл

Пулеметный ракетный ранец

ВОПРОС: А что, если построить ракетный ранец, использовав для этого автомат, направленный стволом вниз?

– Роб Б.

ОТВЕТ: Я был несколько удивлен, когда узнал, что эту идею вполне можно реализовать! Но чтобы сделать все правильно, придется договариваться с русскими.

Принцип здесь довольно простой. Если вы стреляете вперед, отдача толкает вас назад. Следовательно, если стрелять вниз, отдача должна подбросить вас вверх.

Прежде всего нам придется ответить на вопрос, сможет ли автомат в принципе поднять собственный вес? Если он, допустим, весит 4 кг, а сила его отдачи – всего 3 кг, автомат не сможет оторваться от земли, не говоря уже о том, чтобы заодно поднять человека.

В инженерном деле соотношение веса и отдачи называется тяговооруженностью. Если она меньше единицы, аппарат не сможет подняться в воздух. Ракета-носитель «Сатурн-5» обладала тяговооруженностью, примерно равной 1,5.

Я не большой эксперт в области огнестрельного оружия (несмотря на то, что вырос на юге США), поэтому для того, чтобы ответить на вопрос Роба, я связался со своими приятелями в Техасе[30].

Примечание: ПОЖАЛУЙСТА, не пытайтесь проделать это дома!

Как выясняется, у автомата Калашникова АК-47 тяговооруженность составляет примерно 2. Это значит, что, если поставить его автомат стволом и каким-то образом зафиксировать спусковой крючок в нажатом состоянии, автомат должен подняться в воздух, одновременно выпуская очередь.

Это верно не для всех видов автоматического оружия. Например, американской винтовке М-60, скорее всего, не хватит отдачи, чтобы оторваться от земли.

Сила тяги, которую развивает ракетный двигатель (или стреляющий автомат Калашникова), зависит, во-первых, от массы выброса, а во-вторых, от того, насколько быстро он ее выбрасывает. Тяга – это произведение двух этих величин.

Если АК-47 выпускает десять пуль весом по 8 граммов каждая за одну секунду, а начальная скорость каждой пули – 715 м/с, то тяга составит:

Так как заряженный АК-47 весит всего 4,8 кг, то он, по идее, должен взлететь и начать ускоряться вверх.

В действительности тяга окажется даже где-то на 30 % выше. Все дело в том, что автомат выбрасывает не только пули, но и горячий газ, и продукты сгорания пороха. Насколько это все повысит тягу – зависит от конкретного оружия и патронов. Общая эффективность также зависит от того, сбрасываете ли вы гильзы на землю по мере подъема, или берете их с собой. Я попросил своих техасских приятелей взвесить для моих расчетов несколько гильз. В ответ они сообщили мне, что не смогли найти весы, и тогда я подсказал им, что, учитывая объем их арсенала, им, в сущности, просто нужно найти кого-то еще, у кого весы есть[31].

В общем, АК-47 смог бы взлететь, но у него не хватило бы тяги, чтобы поднять в воздух что-либо тяжелее белки.

Можно попробовать использовать несколько автоматов сразу. Если вниз будут стрелять два ствола, они создадут в два раза больше тяги. Если каждый автомат может поднять плюс к своей массе еще 2,5 кг, то два автомата поднимут 5 кг.

Уже понятно, к чему все идет:

В космос вы сегодня не попадете.

Если сложить вместе достаточное количество направленных вниз «калашниковых», то вес пассажира почти перестает иметь значение: он распределится по числу стволов и на каждый из последних придется ничтожная доля этого веса. Поскольку наше устройство, по сути дела, представляет собой пучок из множества отдельных автоматов, летящих параллельно, то чем больше будет количество «калашниковых», тем больше тяговооруженность нашего аппарата будет приближается к тяговооруженности отдельно взятого автомата:

Но есть одна проблема: боеприпасы.

В магазине АК-47 30 патронов. При десяти выстрелах в секунду это даст нам жалкие три секунды ускорения.

Это время можно увеличить, сделав магазин больше, но только до определенного момента: как выясняется, набивать в магазин больше 250 патронов не имеет смысла. Причина этого кроется в классической проблеме ракетостроения – топливо делает вас тяжелее.

Каждая пуля весит 8 граммов, а патрон (то есть пуля с гильзой и пороховым зарядом) весит более 16 граммов. Если в магазине будет больше 250 патронов, «калашников» станет слишком тяжелым и не сможет взлететь.

Итак, наш ранец должен состоять из большого количества АК-47 (минимум 25, но в идеале хотя бы 300), и в магазине каждого из них должно быть 250 патронов. Самые мощные варианты аппарата могли бы взлетать вверх на скорости до 100 м/с, поднимаясь на высоту полукилометра с лишним.

Вот мы и ответили на вопрос Роба: да, имея достаточное количество автоматов, взлететь можно.

Однако наша связка «калашниковых» – явно не самый совершенный реактивный ранец. Можно ли придумать что-то поинтереснее?

Мои техасские друзья предложили мне на выбор целый ряд различных пулеметов и автоматов, и я рассчитал результаты для каждого из них. Некоторые оказались весьма неплохи. Скажем, пулемет MG-42 (эта штука потяжелее, чем АК-47) может похвастаться чуть большей тяговооруженностью, чем «калашников».

Однако потом мы решили замахнуться на большее.

Авиационная пушка GAU-8 Avenger выпускает до 60 фунтовых снарядов в секунду. Отдача этой пушки эквивалентна почти 5 т, и это просто невероятно, учитывая, что ее устанавливают на штурмовике А-10 Thunderbolt, два двигателя которого вместе создают тягу всего в 4 т. Если установить на самолет две таких пушки и одновременно выстрелить из обеих вперед, одновременно включив двигатели на полную мощность, то пушки победят, и вы полетите назад.

А если установить GAU-8 на мою машину, включить нейтральную передачу и начать стрелять назад, то я нарушил бы любые ограничения скорости меньше чем за три секунды.

«Вообще мне гораздо интереснее, как вам это удалось».

Но как бы хорошо эта пушка ни подходила для ракетного ранца, русские создали установку, которая сработает еще лучше. Зенитная автоматическая пушка Грязева – Шипунова 6К30ГШ весит примерно вдвое меньше, чем GAU-8, и при этом ее скорострельность еще выше. Тяговооруженность этого орудия приближается к 40, а значит, если вы, сидя на ней верхом, направите ее вертикально вниз и выстрелите, она не просто взлетит в облаке смертоносных осколков, но вы еще и испытаете бы при этом ускорение в 40g.

Это уже слишком. На самом деле, даже когда пушка надежно закреплена на самолете, отдача представляет собой проблему:

Отдача… все еще наносила ущерб самолету. Скорость стрельбы была уменьшена до 4000 выстрелов в минуту, но это не очень помогло. Посадочные фары почти всегда ломались после выстрела… Очередь из более чем 30 выстрелов почти непременно означала перегрев…

Грег Гебель, airvectors.net

Но если бы вам каким-то образом усадить на пушку пассажира, сделать всю конструкцию достаточно прочной, чтобы она выдержала отдачу, засунуть пушку в аэродинамический обтекатель и убедиться, что все это как следует охлаждается…

…то можно было бы прыгать через горы!

Равномерно вверх

ВОПРОС: А что, если вы внезапно начнете подниматься вверх со скоростью одного фута в секунду, то как именно вы умрете? Сначала замерзнете? Или сначала задохнетесь? Или как-то еще?

– Ребекка Б.

ОТВЕТ: Ребекка, ты не забыла надеть пальто?

Один фут (30 см) в секунду – это не так уж быстро. Это значительно медленнее, чем скорость стандартного лифта. Вам потребуется 5–7 секунд, прежде чем вы подниметесь так высоко, чтобы никто из ваших друзей уже не сможет до вас дотянуться (конечно, это зависит от их роста).

Спустя 30 секунд вы будете в 30 футах (9 метрах) над землей. А если вы сейчас пролистаете книгу до страницы 200, то узнаете, что для какого-нибудь вашего друга это последний шанс бросить вам сэндвич, бутылку воды или еще что-нибудь[32].

Через минуту или две вы будете уже парить над верхушками деревьев. В общем и целом вам будет столь же комфортно, как и на земле. Если день ветреный, возможно, станет прохладнее, благодаря более устойчивому ветру над верхней границей леса[33].

Спустя 10 минут вы подниметесь выше всего на земле, кроме самых высоких небоскребов, а спустя 25 минут вы окажетесь уже выше шпиля небоскреба Эмпайр-Стейт-билдинг.

Воздух на такой высоте примерно на 3 % более разреженный, чем на поверхности земли. К счастью, ваше тело постоянно имеет дело с подобными перепадами давления. Уши может заложить, но больше вы ничего особенного не заметите.

Давление воздуха очень быстро меняется вместе с высотой. Как ни удивительно, даже когда вы стоите на земле, изменение давления воздуха поддается измерению даже на относительной высоте всего около метра. Если в вашем смартфоне имеется барометр (как и во многих современных моделях), вы можете скачать соответствующее приложение и наглядно увидеть разницу в давлении на уровне вашей головы и на уровне ступней.

Фут в секунду – это довольно близко к километру в час, так что через час вы будете примерно в километре над Землей. К этому моменту вам уже точно станет холоднее. Если на вас пальто, то все пока будет в порядке, хотя ветер начнет заметно усиливаться.

Спустя еще где-то два часа (и два километра) температура вокруг вас приблизится к нулю. Ветер тоже, скорее всего, будет усиливаться. Если у вас есть открытые участки кожи, возникает реальная опасность обморожения.

К этому моменту давление воздуха упадет ниже давления, которое поддерживается в кабине авиалайнера[34], и последствия этого станут более заметными. Однако если на вас нет теплого пальто, то более серьезной проблемой будет холод.

В течение следующих двух часов температура упадет ниже нуля по любой шкале[35]. Предположим, что вы еще не погибли от нехватки кислорода, тогда в какой-то момент вы станет жертвой переохлаждения. Но когда именно?

Главными научными авторитетами в вопросе замерзания насмерть (и это неудивительно) являются канадцы. Самую популярную модель, описывающую выживание человека на морозе, разработали Питер Тикуисис и Джон Фрим из Института медицины окружающей среды в Онтарио.

Согласно этой модели, основным фактором, от которого зависит, когда именно вы замерзнете насмерть, будет одежда. Если вы голый, то, скорее всего, падете жертвой переохлаждения где-то к шестому часу, то есть еще до того, как в окружающем вас воздухе закончится кислород[36]. Но если вы как следует закутались, то вам грозит обморожение, однако вы можете продержаться еще достаточно долго…

…чтобы достичь живым Зоны смерти.

Примерно на уровне 8000 метров – это выше всего, кроме самых высоких гор, – содержание кислорода в воздухе становится слишком низким. Приближаясь к этой высоте, вы будете испытывать ряд симптомов, включающих, вероятно, спутанность сознания, головокружение, нарушение зрения и тошноту.

При приближении к Зоне смерти уровень кислорода в вашей крови резко упадет. Ваши вены предназначены для того, чтобы нести кровь с низким содержанием кислорода к легким, чтобы восполнить его содержание. Но в Зоне смерти содержание кислорода в воздухе настолько мало, что кровь при газообмене с воздухом легких будет терять кислород, вместо того, чтобы насыщаться им.

Результатом будет быстрая потеря сознания и смерть. Это произойдет где-то в районе семи часов после взлета: шансы, что вы проживете восемь часов, крайне невелики.

Она умерла так же, как жила, – поднимаясь вверх со скоростью один фут в секунду. В смысле, как жила в последние несколько часов.

И вот, спустя два миллиона лет ваше промерзшее насквозь тело, все еще летящее сквозь пространство со скоростью фут в секунду, выйдет через гелиосферу в межзвездное пространство.

Клайд Томбо, астроном, открывший Плутон, умер в 1997 году. Часть его праха поместили в американский космический зонд «Новые горизонты», который в июле 2015 года пролетит мимо Плутона и отправится дальше, за пределы Солнечной системы.

Нет сомнений, что ваше гипотетическое путешествие со скоростью фут в секунду будет холодным, неприятным и в конечном счете смертельным. Зато когда Солнце спустя четыре миллиарда лет превратится в красного гиганта и поглотит Землю, во всей Вселенной не останется ни одного человека, кроме вас и Клайда.

И это тоже неплохо.

Странные (и тревожные) вопросы из папки «Входящие» сайта «А что, если?»

ВОПРОС: Можно ли, учитывая современные познания и возможности человечества, построить новую звезду?

– Джефф Гордон

ВОПРОС: С какими сложностями логистики вы столкнетесь, если решите создать армию человекообразных обезьян?

– Кевин

ВОПРОС: Если бы у людей были колеса и они могли бы летать, как бы мы отличали их от самолетов?

– Аноним

Субмарина на орбите

ВОПРОС: А что, если запустить на орбиту атомную подлодку? Как долго она сможет там продержаться?

– Джейсон Лэтбери

ОТВЕТ: Сама субмарина будет в порядке, но вот у команды возникнут проблемы.

Подлодку не разорвет. Корпусу подлодки приходится выдерживать на глубине наружное давление от 50 до 80 атмосфер, так что корпус спокойно выдержат внутреннее давление воздуха в одну атмосферу.

Скорее всего, корпус окажется воздухонепроницаемым. Хотя водонепроницаемая изоляция необязательно означает, что воздух не сможет через нее проникнуть, тот факт, что вода не может просочиться через обшивку под давлением в 50 атмосфер, говорит о том, что быстро, во всяком случае, воздух через нее не пройдет. На подлодке может быть установлено несколько специализированных односторонних клапанов, выпускающих воздух, но скорее всего, субмарину удастся полностью изолировать от окружающей среды.

Более серьезная проблема, с которой столкнется команда, очевидна – отсутствие воздуха.

Атомные подлодки используют электричество, чтобы извлекать кислород из воды. В космическом пространстве воды нет ^{[источник не указан]}, так что вырабатывать воздух не получится. У подлодки достаточный запас кислорода, чтобы команда могла прожить как минимум несколько дней, но затем у моряков начнутся проблемы.

Чтобы сохранить тепло, можно включить реактор, но членам команды придется очень точно рассчитать, как долго он должен работать, поскольку океан холоднее космоса.

Строго говоря, это не так: все знают, что в космосе очень холодно. Причина, по которой космический корабль может перегреться, заключается в том, что космическое пространство не так хорошо отводит тепло, как вода, так что температура на лодке в космосе поднимается быстрее, чем на лодке в океане.

Но если вы хотите еще большего педантизма, то знайте: это все-таки правда. Океан холоднее космоса.

Межзведное пространство действительно очень холодное, но зона поблизости от Солнца – и вблизи Земли – на самом деле очень горячая! Причина, по которой кажется, что это не так, связана с тем, что в космосе наше понятие температуры не работает. Космос кажется холодным потому, что он такой пустой.

Температура – это мера средней кинетической энергии молекул. В космосе у каждой отдельной молекулы кинетическая энергия в среднем высокая, но этих молекул так мало, что они на вас просто не влияют.

Когда я был ребенком, у отца в подвале была мастерская, и я помню, как он работал на точильном станке. Когда металл касался шлифовального круга, с него летел сноп искр, осыпавших руки и одежду отца. Я не мог понять, почему это не причиняло ему вреда – в конце концов, эти сияющие искры были раскалены до нескольких тысяч градусов.

Позднее я узнал, что искры не причиняли отцу вреда потому, что были крохотными, и ничтожное количества тепла, которое в них было, тело человека могло поглотить без вреда для себя, при этом нагревался лишь крохотный кусочек кожи.

Горячие молекулы в космосе подобны искрам в мастерской моего отца – они могут быть горячими или холодными, но они в любом случае такие маленькие, что прикосновение к ним не особенно изменит температуру вашего тела[37]. Ваше нагревание и остывание связано с тем, сколько тепла вы производите и как быстро оно уходит в вакуум.

В отсутствие окружающего воздуха, который отражал бы назад излучаемое вами тепло, вы будете терять это тепло куда быстрее, чем обычно. С другой стороны, в отсутствие воздуха, который оттягивал бы тепло с поверхности тела, вы будет терять не так много тепла за счет конвекции. Для большинства космических кораблей с людьми на борту последнее обстоятельство имеет большее значение. Самая сложная задача не в том, чтобы сохранить тепло, а в том, чтобы не слишком сильно разогреться.

Атомная подводная лодка, очевидно, способна поддерживать внутри корпуса температуру, пригодную для жизни, даже когда внешний корпус охлаждается в океане до 4 °C. Однако если корпус должен поддерживать ту же температуру, находясь в открытом космосе, задача усложняется: в тени Земли подлодка будет терять тепло со скоростью примерно в 6 мегаватт. Это больше, чем 20 киловатт, которые отдает команда, и даже больше, чем несколько сотен киловатт тепла, которая субмарина будет получать, выйдя из тени и оказавшись на прямом свету Солнца, так что подводникам придется запустить реактор, чтобы сохранить тепло[38].

Чтобы спуститься с орбиты, субмарине нужно будет замедлиться настолько, чтобы столкнуться с атмосферой. Без ракет (ракетных двигателей) у нее нет возможности это сделать.

Хорошо-хорошо – строго говоря, на подводной лодке есть ракеты.

К сожалению, ракеты в пусковых шахтах лодки направлены таким образом, что не смогут подтолкнуть лодку. Ракета – реактивный снаряд, то есть у нее очень маленькая отдача. Когда ружье выбрасывает пулю, оно подталкивает пулю, разгоняя ее до нужной скорости. С ракетой не так – в ней просто поджигают топливо, и она летит. Выпущенные ракеты не смогут свести субмарину с орбиты.

А вот незапущенные могли бы.

Если баллистические ракеты современной атомной подлодки вытащить из пусковых шахт, перевернуть и снова установить в шахтах соплами вверх, каждая из них вполне могла бы изменить скорость субмарины на 4 метра в секунду.

Типичный маневр для схождения с орбиты требует примерно 100 м/с V (изменения скорости), а значит, 24 ракет класса «Трайдент», установленных на подлодке класса «Огайо», может как раз хватить, чтобы свести ее с орбиты.

И тогда, поскольку у подлодки нет абляционной теплозащиты и она аэродинамически неустойчива на сверхзвуковых скоростях, она неизбежно развалится в воздухе.

Если бы вы забились в правильный уголок субмарины и были пристегнуты к креслу, рассчитанному на ускорение, есть крохотный, крохотный, крохотный шанс, что вы пережили бы стремительный спуск. Но тогда вам пришлось бы выпрыгнуть с парашютом до того, как обломки вместе с вами обрушатся на землю.

Если вы как-нибудь попытаетесь это сделать (хотя я вам не рекомендую), у меня есть один невероятно полезный совет.

Не забудьте отключить детонаторы ракет.

Раздел коротких ответов

ВОПРОС: А что, если бы мой принтер мог печатать настоящие деньги? Как бы это повлияло на мировую экономику?

– Дерек О’Брайан

ОТВЕТ: На листе бумаги А4 можно уместить четыре стодолларовые купюры.

Если ваш принтер печатает одну страницу (с обеих сторон) в минуту, в цвете и высоком разрешении, получится 210 миллионов долларов в год. Этого достаточно, чтобы сделать вас очень богатым, но недостаточно, чтобы нанести урон мировой экономике. Поскольку в обращении одновременно находятся 7,8 миллиарда стодолларовых купюр, а продолжительность жизни купюры составляет примерно 90 месяцев, в год приходится допечатывать около миллиарда купюр. Ваши дополнительные два миллиона бумажек в год вряд ли смогут что-то изменить.

ВОПРОС: А что, если взорвать атомную бомбу в эпицентре урагана? Будет ли ураган мгновенно уничтожен?

– Руперт Бейнбридж (и сотни других людей)

ОТВЕТ: Этот вопрос задают часто. Как выясняется, Национальное управление океанических и атмосферных исследований, частью которого является Национальный центр по изучению ураганов, об этом тоже частенько спрашивают – так часто, что они даже опубликовали официальный ответ.

Советую прочитать его целиком[39], но думаю, что достаточно и последней фразы первого абзаца:

«Совершенно очевидно, что это не лучшая идея».

Меня радует мысль, что подразделение правительства США опубликовало свое официальное мнение по поводу возможности ядерной бомбардировки ураганов.

ВОПРОС: А что, если бы все мы установили маленькие турбинные генераторы на водосточных трубах своих домов и офисов? Сколько энергии мы смогли бы выработать? Получилось бы когда-нибудь выработать столько энергии, чтобы установка генераторов окупилась?

– Дэмиен

ОТВЕТ: В очень дождливой местности, например на Юго-Восточной Аляске, может выпадать 4 м осадков в год, и водяные турбины могут быть весьма эффективны. Если площадь дома 1500 кв. футов (140 м) и его водосточные трубы будут начинаться в пяти метрах над землей, он выработает меньше одного ватта энергии от дождя, и максимальная экономия энергии составит:

Самый дождливый час в истории наблюдений, согласно данным, имеющимся на 2014 год, зафиксирован в 1947 году в Холте, штат Миссури, где за 42 минуты выпало около 30 см осадков. За эти 42 минуты наш гипотетический дом мог бы выработать до 800 ватт электричества, и этого было бы достаточно, чтобы работали все электрические приборы и бытовая техника в доме. Все остальное время мощность даже близко не подойдет к этой отметке.

Если установка генератора стоит 100$, то жители самого дождливого места в США – города Кечикан на Аляске – смогли бы окупить его стоимость меньше чем за столетие.

ВОПРОС: А что, если дать каждой звезде во Вселенной уникальное имя длиной в одно слово? Насколько длинными получатся названия, если использовать только удобочитаемые сочетания букв?

– Шеймус Джонсон

ОТВЕТ: Во Вселенной около 300 000 000 000 000 000 000 000 звезд[40]. Если считать, что слово удобочитаемо, если в нем чередуются гласные и согласные (для создания удобочитаемых слов есть способы и получше, но для условных расчетов этот подойдет), то каждая новая пара гласный+согласный, которую вы будете добавлять к имени, позволит вам дать имена 105 новым звездам (в латинском алфавите 21 согласных и 5 гласных букв). Поскольку информационная плотность цифр и букв близка – 100 вероятностей на знак, – можно предположить, что в самых длинных названиях будет столько же знаков, сколько в числе, обозначающем количество звезд.

Обожаю делать расчеты, которые включают в себя подсчет количества знаков в числе, записанном на бумаге (что, по сути, представляет собой просто логарифмические вычисления). И это работает – хотя на первый взгляд кажется, что это совершенно неправильно.

ВОПРОС: Иногда я езжу в школу на велосипеде. Зимой это не очень-то приятно, потому что очень холодно. С какой скоростью мне пришлось бы ехать, чтобы согреться до температуры космического корабля, входящего в атмосферу?

– Дэвид Ней

ОТВЕТ: Космический корабль, входящий в атмосферу, нагревается, поскольку сжимается находящийся перед ним воздух (а не за счет трения о воздух, как принято считать).

Чтобы повысить температуру слоя воздуха перед вашим телом на 20 °С (скажем, от нуля до кмнатной температуры), нужно ехать со скоростью 200 м/с.

Самые быстрые наземные средства передвижения над уровнем моря, приводимые в движение мускульной силой человека, – это лигерады (лежачие велосипеды) с аэродинамическими обтекателями. Их максимальная скорость – около 40 м/с, скорость, на которой человек едва-едва развивает тягу, достаточную для преодоления возникающего лобового сопротивления воздуха.

Поскольку лобовое сопротивление пропорционально квадрату скорости, будет сложно преодолеть этот предел. Чтобы ехать на велосипеде со скоростью 200 м/с, потребуется примерно в 25 раз больше сил, чем если вы разгоняетесь до 40 м/с.

На этих скоростях не нужно волноваться по поводу температуры окружающей среды. Быстрый расчет показывает, что, если бы ваше тело выполняло такой объем нагрузок, его температура достигла бы смертельного уровня за несколько секунд.

ВОПРОС: Сколько места физически занимает Интернет?

– Макс Л.

ОТВЕТ: Есть много способов оценки объема информации, которая хранится в Интернете, но есть один любопытный вариант: просто посмотреть, какой объем занимают носители информации, которые мы (как вид в целом) покупаем.

Электронная промышленность производит около 650 миллионов жестких дисков в год. Если большая их часть – диски 3,5 дюйма, то в секунду производится восемь литров (2 галлона) жестких дисков.

А значит, все жесткие диски, произведенные за последние годы (при том, что объемы их производства постоянно растут), едва заполнят один большой нефтеналивной танкер. Так что, если считать таким образом, Интернет занимает меньше места, чем танкер.

ВОПРОС: А что, если прикрепить взрывчатку С-4 к бумерангу? Будет ли такое оружие эффективным или эта идея и в самом деле такая глупая, как выглядит?

– Чэд Мачевски

ОТВЕТ: Оставим в стороне вопросы аэродинамики – мне просто интересно: а какое тактическое преимущество вы предполагаете получить в том случае, если промахнетесь и бумеранг со взрывчаткой прилетит обратно?

Все, что вы хотели знать про молнию…

Прежде чем продолжить, я хочу еще раз напомнить: я не эксперт по безопасности во время грозы.

Я рисую картинки в Интернете. Я люблю смотреть, когда что-нибудь горит или взрывается, а значит, не всегда могу действовать в ваших интересах. Настоящие специалисты по безопасности во время грозы – это ребята из Национальной погодной службы США.

Ладно. С этим разобрались…

Чтобы ответить на нижеследующие вопросы, нам нужно понять, куда с наибольшей вероятностью ударит молния. Чтобы узнать это, есть отличный способ, и я вам прежде всего о нем расскажу: прикатите откуда-нибудь воображаемый[41] шар диаметром 60 м, установите его на местности и обратите особое внимание на точку, в которой он касается земли.

В этом разделе я отвечу на несколько разных вопросов, касающихся молнии. Говорят, что молния бьет в самую высокую точку на местности. Это одно из тех раздражающих своей неточностью утверждений, которые сразу вызывают массу вопросов. Самую высокую – в пределах какого радиуса? Я хочу сказать, что не все же молнии бьют в Эверест. Но будет ли молния выбирать самого высокого человека в толпе? Самый высокий человек, которого я знаю, это, вероятно, канадский писатель, программист и автор комиксов Райан Норт. Стоит ли мне стоять рядом с ним во время грозы – или это небезопасно? И вообще – стоит ли мне стоять рядом с Райаном из каких бы то ни было соображений?…

Наверное, мне все-таки стоит отвечать на вопросы, а не задавать их.

Так как же молния выбирает цель?

Удар молнии начинается с ветвящегося электрического заряда – «лидера молнии», который спускается с тучи. Он идет вниз со скоростью, составляющей десятки или даже сотни километров в секунду и преодолевает несколько километров до земли за несколько десятков миллисекунд.

У лидера довольно низкая сила тока – порядка 200 А. Этого достаточно, чтобы вас убить, но это ничто по сравнению с тем, что будет дальше. После того как лидер достигает земли, электрический заряд облака и земли выравнивается, высвобождая где-то около 20 000 А. Это и есть та ослепляющая вспышка, которую мы видим. Она поднимается обратно со скоростью, сопоставимой со скоростью света, преодолевая расстояние меньше чем за миллисекунду[42].

То место на земле, куда, как мы видим, «бьет» молния, – это та точка, где лидер впервые коснулся поверхности. Лидер спускается через атмосферу маленькими скачками, прокладывая себе путь к (обычно) положительно заряженной поверхности земли. Однако в момент, когда лидер «решает», куда ему устремиться дальше, он «чувствует» этот заряд только в радиусе нескольких десятков метров от себя. Если в этом радиусе имеется что-то, соединенное с положительно заряженной землей, заряд немедленно устремляется туда, в остальных случаях он перемещается в более или менее случайном направлении, и процесс повторяется.

Вот тут мы и используем 60-метровую воображаемую сферу. Это способ определить, какие точки лидер почувствует в первую очередь – точки, на которые он может перепрыгнуть в следующий (последний) шаг.

Чтобы разобраться, куда может ударить молния, давайте покатим по земле нашу воображаемую сферу диаметром 60 м[43]. Огромный шар перекатывается через деревья и здания, однако не проходит сквозь них (и не подминает их). Места, где поверхность шара соприкасается с чем-либо – с верхушкой дерева, столбом изгороди, игроком на поле для гольфа, – и есть вероятные мишени молнии.

Это значит, что можно рассчитать «тень» молнии вокруг объекта высотой h на плоской поверхности.

Тень – это зона, в которой лидер ударит в самый высокий объект, а не в землю вокруг него:

Учтите, это не значит, что в тени вы в безопасности – часто даже наоборот. После того как заряд ударил в высокий объект, он уходит в землю. Если вы касаетесь земли рядом, он может пройти через ваше тело. Из 28 людей, убитых молнией в США в 2012 году, 13 стояли под деревом или рядом с ним.

А теперь давайте посмотрим, каковы будут возможные пути молнии в сценариях, которые описаны нижеследующими вопросами.

ВОПРОС: А что, если искупаться в бассейне в грозу? Опасно ли это?

ОТВЕТ: Достаточно опасно. Вода представляет собой проводник, но это не самая большая проблема: хуже то, что, когда вы плаваете, ваша голова выступает над большой плоской поверхностью. Но даже если молния ударит в воду рядом с вами, это все равно плохо. 20 000 А распространятся по воде во все стороны, в основном, по ее поверхности, но какой именно разряд вы получите в той или иной точке бассейна, рассчитать сложно.

Я предполагаю, что вы будете в довольно серьезной опасности, если находитесь не дальше десятка метров от места удара – и даже дальше, если вода в бассейне пресная, поскольку разряд будет просто счастлив «срезать» путь через вас.

А что произойдет, если вы будете принимать душ в тот момент, когда в вас ударит молния? Или стоять под водопадом?

Брызги не будут представлять опасности – это просто капли воды, висящие в воздухе. Ванна у вас под ногами и лужица воды в ней, имеющая прямой контакт с металлической выпускной трубой, – вот где настоящая опасность.

ВОПРОС: А что, если в лодку или в самолет, в которых вы находитесь, попала молния? А в подводную лодку?

ОТВЕТ: Лодка без кабины опасна примерно в той же степени, что и поле для гольфа. Лодка, оборудованная закрытой кабиной и системой защиты от молнии, примерно так же безопасна, как автомобиль. Подлодка безопасна примерно так же, как подводный сейф (не стоит путать подводный сейф с сейфом на подводной лодке, сейф на подводной лодке куда безопаснее, чем подводный сейф). Современные авиалайнеры, как правило, более или менее нормально переживают удар молнии – они сконструированы так, чтобы молния не повредила ни пассажирам, ни электронике самолета.

ВОПРОС: А что, если бы вы меняли лампочку на вершине радиовышки в тот момент, когда ударила молния? Или делали обратное сальто? Или стояли на графитовом поле? Или смотрели прямо на молнию?

ОТВЕТ:

ВОПРОС: А что, если бы молния попала в летящую пулю?

ОТВЕТ: Пуля не повлияет на траекторию молнии. Пришлось бы как-то рассчитать момент выстрела так, чтобы пуля оказалась в середине разряда молнии, когда случится обратный разряд.

Центр разряда молнии не больше нескольких см в диаметре. Пуля, выпущенная из АК-47, имеет длину примерно в 26 мм и движется со скоростью 700 мм в миллисекунду.

Пуля сделана из свинца в медной оболочке. Медь – замечательный проводник электричества, и немалая часть 20 000 А могла бы пройти через нее.

Как ни странно, пуля перенесла бы это довольно хорошо. Если бы она не двигалась, поток быстро нагрел бы металл и расплавил его. Но поскольку она будет быстро двигаться, то выйдет из потока прежде, чем тот нагреет ее больше чем на несколько градусов. Пуля продолжила бы лететь в цель, практически не изменив траекторию. Возникнут довольно любопытные электромагнитные силы, созданные магнитным полем вокруг разряда и его прохождением через пулю, но ни одна из них, согласно моим расчетам, сильно не изменит картины.

ВОПРОС: А что, если бы вы обновляли BIOS на своем компьютере во время грозы и в вас бы ударила молния?

ОТВЕТ:

Странные (и тревожные) вопросы из почтового ящика «А что, если?»

ВОПРОС: Можно ли остановить извержение вулкана, разместив под ним ядерную бомбу?

– Томаш Грушка

ВОПРОС: Мой друг уверен, что звук распространяется в космосе. Это ведь не так, правда?

– Аарон Смит

Мозг и компьютер

ВОПРОС: А что, если бы все человечество бросило заниматься текущими делами и занялось вычислениями? Какой вычислительной мощности можно было бы достичь? Можно ли сравнить ее с производительностью современных компьютеров и смартфонов?

– Матеуш Кнорпс

ОТВЕТ: С одной стороны, люди и компьютеры думают совершенно по-разному, так что сравнивать их – все равно что сравнивать яблоки с апельсинами

Но с другой стороны, яблоки, конечно, лучше[44]. Давайте попробуем напрямую сравнить человека и компьютер, выполняющих одно и то же задание.

Несложно придумать задачу, которую один-единственный человек решит быстрее, чем все компьютеры мира (хотя с каждым днем это становится все труднее). Например, люди все еще лучше, чем компьютеры, угадывают, что именно произошло на картинке:

Чтобы проверить эту теорию, я послал эту картинку моей матери и спросил, что, по ее мнению, произошло. Она немедленно ответила: «Ребенок разбил вазу, а кот изучает обстановку»[45].

Она мудро отвергла альтернативные версии, включая следующие:

• вазу разбил кот;

• кот выпрыгнул из вазы на ребенка;

• кот гнался за ребенком, а тот попытался взобраться на комод при помощи веревки;

• в дом забрался дикий кот, и кто-то кинул в него вазу;

• в вазе была спрятана мумия кота, но она ожила, когда ребенок коснулся ее волшебной веревкой;

• веревка, на которой висела ваза, оборвалась, и кот пытается собрать осколки;

• ваза взорвалась, и на звук прибежали ребенок и кот. Ребенок надел шляпу для защиты от последующих взрывов;

• ребенок и кот ловили змею. Ребенок наконец поймал ее и завязал узлом.

Все компьютеры мира не смогли бы вычислить верный ответ быстрее, чем одна моя мать. Но это потому, что компьютеры не запрограммированы определять подобные вещи[46], тогда как наш мозг в течение миллионов лет эволюции тренировался, пытаясь определить, что делают другие мозги неподалеку (и зачем они это делают).

Так что мы могли бы легко выбрать задачку, которая создаст преимущество для человека, но это не очень честно: компьютеры ограничены тем, как мы их программируем, так что мы по определению уже обладаем преимуществом.

Давайте лучше посмотрим, как мы можем потягаться с ними на их территории.

Вместо того чтобы придумывать новое задание, мы просто применим к людям те же тесты на производительность, которые применяем к компьютерам. Обычно это операции с числами с плавающей запятой, сохранение и вызов чисел, манипулирование буквенными последовательностями и базовые логические построения.

Специалист по искусственному интеллекту Ханс Моравек утверждает, что человек, выполняющий тесты на производительность для компьютерных чипов вручную, используя карандаш и бумагу, может выполнить одно задание в полторы минуты[47].

Тогда получается, что процессор в смартфоне средней мощности может производить вычисления в 70 раз быстрее, чем все население Земли. Для современного чипа персонального компьютера эта цифра равняется 1500.

Итак, в каком году обычный персональный компьютер обошел совокупную вычислительную способность человечества?

В 1992 году численность населения Земли составляла 5,5 миллиарда человек, то есть их общая вычислительная способность, согласно нашему тесту, составляла бы около 65 MIPS (миллионов инструкций в секунду).

В том же году корпорация «Интел» выпустила популярный процессор 486DX, который в своей базовой конфигурации имел производительность в 55–60 MIPS. К 1994 году новые «пентиумы» производства «Интел» достигали значений 70 и 80 MIPS, оставив человечество далеко позади.

Вы можете возразить, что мы несправедливы по отношению к компьютерам. В конце концов, мы все время выставляем один компьютер против всего человечества. А как насчет всего человечества против всех компьютеров?

Это сложно рассчитать. Мы можем легко найти результаты тестов производительности для разных компьютеров, но как рассчитать количество инструкций в секунду для, скажем, чипа, установленного в игрушке Furby?

Большая часть компьютеров в мире построена на микрочипах, которые не предназначены для подобных тестов. Если предположить, что все люди на земле обучены делать вычисления для тестов производительности, сколько усилий нам нужно будет потратить, чтобы модифицировать каждый чип для выполнения этих тестов?

Вместо этого можно оценить общую мощность всех вычислительных машин мира, подсчитав количество транзисторов. Оказывается, процессоры 1980-х и современные процессоры имеют близкое соотношение транзисторов к MIPS – примерно 30 транзисторов на инструкцию в секунду.

Статья Гордона Мура (автора «закона Мура») дает оценку общей численности транзисторов, производимых ежегодно с 1950-х. График выглядит примерно так:

Используя наше соотношение, мы можем перевести число транзисторов в общую вычислительную мощность. Получается, что современный ноутбук, тест производительности которого дает результаты в десятки тысяч MIPS, обладает большей вычислительной мощностью, чем все компьютеры мира в 1965-м. Исходя из этой оценки, год, в котором общая вычислительная сила компьютеров превзошла общую вычислительную силу человечества, – это 1977-й.

Конечно же, заставлять людей выполнять тесты на производительность при помощи бумаги и карандаша – невероятно глупый способ определять их вычислительную мощность. Если измерять сложность, наши мозги гораздо изощреннее, чем любой суперкомпьютер, правда же?

Правда. По большей части.

Существуют проекты, в которых пытаются использовать суперкомпьютеры, чтобы полностью симулировать мозг на уровне отдельных синапсов[48]. Если посмотреть, сколько процессоров и времени требуют эти симуляции, можно получить количество транзисторов, требующихся для того, чтобы сравняться в сложности с человеческим мозгом.

Результаты тестирования японского суперкомпьютера Kcomputer в 2013 году показывают, что для «создания» одного мозга понадобится 10¹⁵ транзисторов[49]. По этой оценке, только в 1988 году общее количество логических цепей в мире сравнялось со сложностью одного мозга… и общая сложность всех цепей все еще ничтожна по сравнению с общей сложностью всех мозгов. По оценкам, основанным на законе Мура, и исходя из наших расчетов, компьютеры не обойдут человечество раньше 2036 года[50].

Два описанных способа оценки мозга представляют собой две крайности.